KR100297421B1 - 이산화규소막의불소화에의한응력제어방법및기판처리시스템 - Google Patents

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조나단 씨 피커링
아쇼크 신하
암리타 베르마
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조셉 제이. 스위니
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Abstract

증착된 규소산화물 박막의 내부응력을 제어하는 장치 및 방법이 개시된다. 일실시예에서, 본 발명은 요구되는 응력 레벨을 갖는 최종 박막을 얻기 위해 소정량의 할로겐 요소를 박막에 혼합하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서는, 본 발명에 따른 방법이 소정량의 불소를 박막에 혼합함으로써 고농축 플라즈마 조건하에서 증착된 규소산화물 박막의 응력 레벨을 변화시키는 단계를 포함한다.

Description

이산화규소막의 불소화에 의한 응력 제어 방법 및 기판 처리 시스템{METHOD OF STRESS CONTROL BY FLUORINATION OF SILICA FILM AND A SUBSTRATE PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 웨이퍼 처리 중에 유전층의 증착에 관한 것으로, 특히 증착된 산화규소 층의 고유 응력(intrinsic stress)을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
현대적 반도체 장치를 제조하는데 있어 주요 공정 단계중 하나는 가스의 화학반응에 의해 반도체 기판 상에 얇은 막을 형성하는 것이다. 그런 증착 공정은 화학적 증기증착 혹은 CVD라고 불리어진다. 종래의 열 CVD 공정은 기판 표면에 반응가스를 공급하여, 이곳에서 열유도 화학반응이 요구되는 막을 생성한다. 그러나, 일부 열 CVD 공정들이 작동되는 고온에서 금속층을 갖는 장치구조가 손상을 입을 수도 있다. 반면에, 통상의 플라즈마 강화 CVD(PECVD)공정은 기판 표면에 근접한 반응구역에 무선주파수(RF) 에너지를 인가함으로써 반응가스의 해리를 촉진시킴으로써, 고반응성 이온종(highly-reactive ionic species) 플라즈마를 생성하게 된다. 방출된 이온종의 고반응도로 인해 화학반응에 필요한 에너지가 감소하게 되고, 따라서 CVD 공정에 요구되는 온도가 낮아지게 된다.
비교적 저온의 PECVD 공정은 증착된 금속 혹은 폴리실리콘 층 상에 절연층을 형성하는 데 이상적이다. 그런 절연층(유전층이라고도 불리어진다)에 이용되는 막의 일형태는 산화규소이다. 산화규소막은 양호한 전기적, 물리적 특성 때문에 유전층으로 적합하다.
반도체 장치는 수십년전에 최초로 소개된 이래로 크기면에서 상당히 작아져왔다. 그때 이래로, 집적회로는 일반적으로 칩 상에 설치될 소자의 숫자가 2년마다 두 배가 됨을 의미하는 "half size/two year rule(종종 '무어(Moore)의 법칙'이라고 불리운다)를 따라왔다. 오늘날의 웨이퍼 제조 공장에서는, 0.5μm 심지어 0.35 μm의 구조(feature)를 갖는 집적회로가 생산되고 있고, 차후에는 휠씬 작은 소자가 제조될 것이다.
소자의 크기가 작아지고 집적도가 증가됨에 따라, 막의 특성이 특정 범위 내에서 유지되는 것이 중요하게 되었다. 이러한 특성중 하나가 증착된 막의 고유응력 레벨이다. 특히, 보다 작은 소자의 제조시 증착되는 층들의 고유응력 레벨을정교하게 제어하는 것이 중요하다. 일정 레벨 이상 혹은 이하의 고유응력 레벨은 웨이퍼의 휨, 균열, 공동부 및 다른 결함을 발생시킬 수도 있다.
표준상태로 용량적으로 결합된 평행판 PECVD 반응기(이하, 표준 PECVD 반응기라 불리어진다)에서 증착된 산화규소 막의 고유응력 레벨은 다수의 상이한 처리 조건을 조절함으로써 제어될 수 있다. 산화규소 막의 고유응력을 제어하는 기술 중 하나는 표준 PECVD 반응기 내의 RF 전력 레벨을 조정하는 것이다. 집적회로 제조자들은 증착된 산화규소 층의 고부응력 레벨이 허용 레벨 내에 확실히 있도록 상기 방식 및 또 다른 방식을 이용한다.
응력 제어 이외에, 소자의 크기 및 형상이 소형화됨에 따라 그 밖의 문제, 예를 들어 금속간 유전체(intermetal dielectric:IMD)층 및 그 외의 절연층의 유전율을 낮추고 근접한 틈을 채우는 증착된 절연층의 능력(막의 "공극 충전"능력이라 불림)을 향상시키는 문제가 중요성을 더해가고 있다. 일부 분야에서는, 표준 PECVD 반응기내에 증착된 산화규소 막의 유전율 및 공극 충전 특성 등의 전기적 물리적 특성만으로는 이제 충분하다고 볼 수 없는 것도 나타나고 있다.
유전율 및 공극 충전 문제에 대한 해결책 중의 하나는 산화규소 막에 불소, 또는 염소나 브롬등의 다른 할로겐 원소를 첨가하는 것이다. 할로겐 첨가의 예는 어플라이드 머티리얼스 인코포레이티드에 양도된 1994년 11월 24일자로 출원된 미국 특허 출원 제 08/344,283호에 개시되어 있으며, 본 명세서에서 참고로 기술하고 있다. 불소는 다른 할로겐 원소 보다 부식성이 낮기 때문에 일반적으로 산화 규소 막의 용도로 적합한 도펀트로 이용된다. 불소가 첨가된 산화규소 막은 규소화불소유리 막(fluorosilicate glass films) 또는 FSG로 불리어진다.
일반적으로, FSG 막은 다른 산화규소 막에 비해 유전율이 낮고, 공극 충전 특성이 뛰어나다. 따라서, 대다수 제조자는 다양한 유전층 특히 금속간 유전층에 불소를 포함시키는 것을 선호한다.
만일 PECVD 증착시 특정 공정이 뒤따르지 않는다면, 불소를 첨가한 산화규소 막은 동일한 방법으로 형성된 도핑되지 않은 산화 규소 막보다 공극성이 높고 밀도가 낮아지는 경향이 있다. 따라서, PECVD 증착된 막의 응력을 제어하는 것은 증착의 중요한 측면이다. 이들 막들의 응력을 제어하는 한 방법은 반응에서 사용되는 저주파 RF 전력을 조정함으로써 막의 밀도를 높이는 것(막들의 압축 응력을 증가시키는 것)이다. FSG 막의 증착중에, 최소 레벨의 저주파 RF 전력을 부가함으로써, 막의 고유 응력이 변화되어, 원재 신장성을 지닌 막이 압축성을 지니게 된다. 저주파 RF 전력이 상기 양보다 약간 많아지면, 증착된 막 내의 고유 압축 응력은 더욱 증가된다.
공극 충전에 대한 또 다른 해결책은 고밀도 플라즈마(HDP) CVD 반응기를 이용하는 것으로서, 유도 결합 코일을 사용하여 매우 낮은 압력(밀리토르 레벨)의 상태하에서 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 HDP CVD 반응기를 이용하여 발생시킨 플라즈마의 이온 밀도는 표준 용량 결합형 PECVD 플라즈마의 이온 밀도보다 대략 두 배 정도의 이온 밀도를 갖는다. HDP CVD 반응기에서 이용되는 낮은 챔버 압력에 의해, 평균 자유 행정이 길고 활성이 높은 핵종(active species)이 얻어진다. 이러한 요인이 플라즈마 밀도와 함께 작용하여, 유의적인 개수의 플라즈마 성분이,고밀도의 좁은 틈의 바닥부까지 도달하여, 공극 충전 특성이 양호한 막을 증착시킬 수 있다. 또한, 증착시 아르곤 혹은 다른 유사한 불활성 가스가 스퍼터링을 촉진하기 위해 반응 챔버로 도입된다. HDP 증착의 스퍼터링 요소는 충전하고자 하는 공극 측면 상의 증착을 에칭하기 때문에, HDP 증착 막의 공극 충전량이 증가한다. HDP 반응기 내에는 전기장을 적용함으로써, 플라즈마를 기판 방향으로 편향시켜 스퍼터링 효과를 더욱 촉진시키는 것이 있다. 따라서, HDP CVD 반응기의 이용은 점점 더 중요시되어, 산화규소 막과 FSG 막을 증착하는데 사용되어져 왔다.
적어도 2가지의 이유 때문에, 응력 제어의 문제는 HDP CVD 반응기에서 더욱 분명해진다. 첫째로, HDP CVD 막은 일반적으로 표준 PECVD 막보다 더 큰 고유 응력 레벨을 갖는다. 따라서, 이러한 응력 증가를 허용 범위 내에 있도록 제어하는 것이 중요한 이슈가 된다. 둘째로, HDP CVD 형성된 플라즈마의 RF 전력을 변화시키면, 응력은 비교적 작은 범위(예를 들어, 일실시예에서는 -1.0×109dynes/cm2내지 -1.5×109dynes/cm2사이) 내에서 제어할 수 있다. 그러나, RF 전력을 변화시켜도 증착 막의 고유 응력 레벨이 상기 범위에서 유의적으로 벗어나는 것은 허용되지 않는다. 이러한 현상에 대한 정확한 이유는 완전하게 밝혀지지 않았지만, 플라즈마의 최대 고밀도 또는 포화와 관련된 것으로 생각된다. 또한, RF 전력을 조정하여 범위 내의 낮은 증착 막의 응력을 상기 범위 내의 낮은 레벨 근처로 세팅하면, 막의 공극 충전 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
과거에는, HDP 막의 응력이 다양한 방식으로 제어되었다. 그런 응력 제어체계의 일례 또는 HDP 막 상에 저응력 PECVD 혹은 다른 형태의 막이 증착된다. 이러한 (고응력/저응력) 이중층의 접근법을 사용함으로써, 응력을 제어할 수 있다. 그러나, 이러한 접근법에서는 HDP 챔버로부터 PECVD 혹은 다른 형태의 챔버로 웨이퍼를 이동시키기 때문에 처리 시간이 불필요하게 소요되고, 스루풋이 감소된다. 복합층의 증착이 단일 챔버에서 이루어질 수 있더라도, 이중층의 증착을 위해 압력이나 온도등의 처리 조건을 조정해도, 웨이퍼의 스루풋은 여전히 악영향을 받게 된다.
따라서, 막의 공극 충전 상태량에 악영향을 끼치지 않고 PECVD 조건하에서 증착된 할로겐이 첨가된 산화규소 층 등의 증착 막의 응력레벨을 정교하게 제어하는 것이 바람직하고 또한 중요하다. 또한, HDP CVD 처리기술에 의해 형성된 산화규소 막의 응력을 정교하게 제어할 수 있는 것이 바람직하고 중요하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 막의 공극 충전 능력에 악 영향을 끼치지 않고 증착된 산화규소 막 내의 고유응력을 제어하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 방법에 따라, 소정의 할로겐 원소가 산화규소 막에 첨가된다. 막에 첨가된 할로겐 원소의 실제 비율은 막의 원하는 고유응력 레벨에 따라 선택된다.
바람직한 실시 형태에서는, 소정량의 불소를 반응 챔버에 도입하고, 원하는 범위의 FSG층을 증착시킨다. 증착된 FSG층의 고유응력은 불소함유 소오스가 공정가스에 도입하는 비율에 따라 제어된다. 불소 함유 소오스의 실제 비율에 따라, FSG 막의 고유응력 레벨은 약 -2.0×109dynes/cm2에서 낮은 인장 응력의 막의 레벨까지 원하는 응력 레벨로 조정될 수 있다. 본 실시 형태의 또 하나의 바람직한 형태에서는, 선택된 소정량의 불소가 반응챔버로 도입되어, 증착된 막의 고유응력을 약 -1.0×109dynes/cm2에서 -0.5×109dynes/cm2로 세팅하게 된다.
본 발명의 방법에 따른 다른 실시예에서는, 소정량의 불소가 규소 소오스 및 산소를 포함하는 처리가스와 함께 반응챔버로 도입되고, 적어도 1×1011ions/cm3의 플라즈마가 형성되어 불소 도핑된 산화규소 막을 증착하게 된다. 증착된 산화규소 층의 고유 응력은 불소함유 소스가 반응챔버로 도입되는 비율을 적절하게 선택함으로써 제어된다. FSG 막의 고유 응력은, 불소소스가 도입되는 실제비율에 따라, 약 -1.5×109dynes/cm2에서 낮은 인장 응력의 막의 레벨까지 원하는 응력 레벨로 조정될 수 있게 된다. 본 실시 형태의 바람직한 형태에서는, 플라즈마는 유도결합된 HDP CVD 반응기 내에서 형성된다. 선정된 양의 불소는 HDP CVD 반응챔버로 도입되어, 증착된 막의 고유응력을 약 -1.0×109dynes/cm2내지 -0.5×109dynes/cm2의 레벨로 설정한다.
유전율, 공극 충전 특성 및 막 균일성 및 안정성 같은 막 특성을 바꾸지 않는 것이 바람직한 일부 실시예에서는, 불소 소오스가 챔버로 도입되는 선정 비율은 챔버로 유입되는 총 증착 가스 유량의 20% 이하일 수 있다. 다른 실시예에서는, 불소 소오스가 총 가스 유량의 10% 이하일 수도 있다. 이들 실시예에서의 비교적 적은 양의 불소를 첨가함으로써 산화규소 증착 막의 응력을 -1.0×109dynes/cm2미만의 레벨까지 제어한다. 본 발명의 장점 및 특성뿐만 아니라, 이들 실시예와 본 발명의 다른 실시예는 후술된 사항과 첨부된 도면에서 더욱 상세하게 기술된다.
도 1a는 본 발명에 따른 개략적 고농축 화학증기증착장치의 일실시예를 도시한 단면도.
도 1b는 도 1의 화학증기증착 챔버에 결합되어 사용되는 시스템 모니터의 다이어그램.
도 1c는 도 1a의 화학증기증착 챔버를 제어하기 위해 사용되는 공정제어 컴퓨터 프로그램 제품의 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 개략적인 플라즈마 강화된 평행판 화학증기증착장치의 일실시예를 도시한 종단면도.
도 3은 HDP CVD 반응기에서 증착된 산화규소 막의 고유응력 레벨상에서 불소불순물 흐름효과를 도시한 그래프.
도 4는 전기적으로 연결된 PECVD 반응기에서 증착된 불소불순물 산화규소 막의 고유응력 레벨에서 저주파수 RF 전력의 변화효과를 도시한 그래프.
도 5는 전기적으로 연결된 PECVD 반응기에서 증착된 산화규소 막의 고유응력 레벨상에서 불소불순물 흐름효과를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 접적회로의 개략적 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
5: HDP CVD 시스템 10: 진공챔버
14: 가스분사노즐 16: 가스공급링 분기관
26: 코일 안테나 29: 가스교반 챔버
32: 소스 RF 발생기 33: 메모리
36: BRF 발생기 70: 컴퓨터 프로그램
73: 셀렉터 서브루틴 75: 시퀀서 서브루틴
83: 가스제어 서브루틴 87: 히터제어 서브루틴
90: 플라즈마제어 서브루틴 200 : 집적 회로
340a: 모니터 340b: 라이트펜
Ⅰ. CVD 시스템의 실시예
A. 고농도 플라즈마 CVD 시스템의 실시예
도 1A는 본 발명에 따른 유전층이 증착될 수 있는 HDP CVD 시스템(5)의 일실시예를 도시하고 있다. HDP CVD 시스템(5)은 진공챔버(10), 진공펌프(12), 바이어스 RF 발생기(BRF)(36) 및 소스 RF 발생기(32)를 포함하고 있다.
진공챔버(10)는 측벽(22) 및 디스크 형상의 천장전극봉(24)로 구성된 천장(20)을 포함하고 있다. 측벽(22)은 석영 혹은 세라믹 같은 절연체로 만들어져서 나선형으로 된 코일 안테나(26)를 지지한다. 나선형의 코일 안테나(26)의 세부구조는 1993년 8월 27일에 페어바인(Fairbain) 및 노악(Nowak)에 의해 출원된 미국특허출원 제 08/113,776호에 개시되어 있다.
증착가스 및 액체는 도시않은 제어밸브를 갖는 라인(27)을 통해 가스 및 액체가 혼합되는 가스교반챔버(29)로 공급되어 가스공급링 분기관(16)으로 보내지게 된다. 일반적으로, 각 처리가스에 대한 각 가스 공급라인은 챔버로의 처리가스 흐름을 자동 혹은 수동으로 차단할 수 있는 안전차단밸브(미도시), 가스공급라인을통해 가스흐름을 측정하는 질량 유량 제어기를 포함하고 있다. 공정중에 독성 가스가 사용될 때에는, 몇개의 안전 차단 밸브가 종래의 구성에 의해 각 가스공급관에 위치된다.
가스분사노즐(14)은 가스공급 링 분기관(16)에 결합되어, 분기관으로 도입된 증착 가스를 챔버(10) 내의 받침대(44) 상에 놓여진 기판(15)에 분산시킨다. 받침대(44)는 모터(미도시)에 의해 상하로 이동시켜 다양한 처리위치로 이동시킬 수 있다. 또한, 받침대(44)는 처리중에 웨이퍼를 구속하는 정전기척 혹은 유사한 기계장치를 포함할 수도 있고, 냉각통로 및 그 밖의 기능을 구비할 수도 있다.
가스공급링 분기관(16)은 하우징(18) 내에 배치된다. 하우징(18)은 스커트(46)에 의해 반응 물질로부터 보호된다. 스커트(46)는 HDP CVD 공정에서 사용되는 반응 물질에 견디는 예를 들어, 석영, 세라믹, 규소 또는 폴리실리콘 같은 물질로 구성되어 있다. 진공챔버(10)의 바닥은 제거가능한 고리형 라이너(40)를 포함할 수도 있다.
증착가스의 유도 결합 플라즈마는 소오스 RF 발생기(32)로부터 코일 안테나(26)에 RF 에너지를 부가함으로써 기판(45) 근처에 형성된다. 소오스 RF 발생기(32)는, 코일 안테나(26)에 단일 주파수 또는 혼합 주파수의 RF 전력(도는 그 밖의 원리를 변형)을 공급하여, 진공 챔버(10)에 도입된 반응성 플라즈마 핵종의 분해를 촉진할 수 있다. 이와 같이 형성된 플라즈마는 표준 PECVD 반응기에 비하면 비교적 높은 밀도(1011내지 1012ions/cm3)를 갖는다. 증착용 가스는 화살표(25)에 표시된 바와 같이 챔버(10)로부터 배기관(23)을 통해 배기된다. 가스가 배기관(23)을 통해 배출되는 비율은 스로틀 밸브(12a)에 의해 제어된다.
천장 전극봉(24)은 리드(56)에 의해 고정된다. 리드(56)은 냉각재킷(58)에 의해 냉각되지만, 천장 전극봉(24)은 세정 속도를 가속화하거나 처리 매개변수를 변경시키기 위해 저항 히터(60)에 의해 가열될 수 있다. 천장 전극봉(24)은 도체이고, BRF 발생기(36)에 접지될 수도 있고, 혹은 적절하게 세팅된 스위치(38)에 의해 연결이 안된 상태(부도체 상태로)로 있을 수도 있다. 유사하게, 받침대(44)는 BRF(50)에 접지되거나, 또는 적절하게 스위치(52)를 세팅함으로써 접속되지 않은 상태(부도체 상태)로 놓여질 수 있다. 이러한 스위치들의 세팅은 플라즈마의 특성에 따른다. BRF 발생기(36,50)는 단일 주파수 RF 전력 혹은 혼합 주파수 RF 전력(혹은 다른 변형)을 공급할 수 있다. BRF 발생기(36, 50)는 별개의 발생기일 수 있고, 혹은 천장 전극봉(24) 및 받침대(44)에 연결된 단일의 RF 발생기일 수도 있다. 받침대(44)로 유도 결합된 플라즈마를 편향시키기 위해, BRF 발생기(36, 50)로부터의 RF 에너지를 인가시킴으로써 스퍼터링을 촉진시키고 플라즈마의 현존하는 스퍼터링 효과를 강화시킨다(즉, 막의 공극-충전 능력을 증가시킨다).
플라즈마를 형성하기 위해 또한 용량 결합이 이용될 수도 있다. 그런 플라즈마는 천장전극봉(24) 및 받침대(44) 사이에서 형성될 수도 있고, 혹은 유사한 유형으로 형성될 수도 있다.
BRF 발생기(36, 50), SRF 발생기(32), 트로틀 밸브(12a), 라인(27)에 연결된 MFCs, 스위치(30, 34, 38, 52) 및 CVD 시스템(5)의 다른 요소들은 단지 몇 개만이도시된 제어라인(35) 상에서 시스템 제어기(31)에 의해 모두 제어된다. 시스템 제어기(31)는 메모리(33), 바람직하게는 하드디스크 드라이브 등의 컴퓨터 판독 매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램(70)의 제어하에 작동한다. 컴퓨터 프로그램(70)은 타이밍, 도입비, 가스혼합, 챔버압력, 챔버온도, RF 전력레벨 및 특정 공정에 대한 다른 매개변수를 지정한다. 모터 및 광학센서는 트로틀밸브(12a) 및 받침대(44) 같은 가동 기구 부품을 이동시켜 그 위치를 결정한다.
시스템 제어기(31)는 CVD 기계의 모든 활동을 제어한다. 바람직한 실시예에서는, 제어기(31)는 하드디스크 드라이브(메모리(33)), 플로피디스크 드라이브 및 카드랙을 포함한다. 카드랙은 단일보드 컴퓨터(SBC(37)), 아날로그 디지털 입출력 보드, 인터페이스 보드 및 스테핑모터 제어보드(단지 몇 개만 도시되어 있음)를 포함한다. 시스템 제어기(31)는 보드, 카드 케이지 및 커넥터 치수 및 형태를 규정하는 베사 모듈 유로피언스(VME)에 부합한다. VME는 또한 16비트 데이터버스 및 24비트 어드레스 버스를 갖는 버스 구조를 규정한다.
시스템 제어기(31)는 하드디스크 드라이브에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램(70)의 제어하에 작동한다. 컴퓨터 프로그램(70)은 타이밍, 가스혼합, RF 전력레벨 및 특정공정의 다른 매개변수를 지정한다. 사용자와 시스템 제어기(31) 사이의 인터페이스는 CRT 모니터(340a) 및 도 1B에 도시된 라이트펜(340b)을 통해 이루어진다. 바람직하게는 두 대의 모니터(340a)가 사용되는 바, 한 대는 작업자를 위하여 클린룸 벽안에 설치되고 나머지 한 대는 오퍼레이터를 위해 벽 뒤에 설치된다. 양 모니터(340a)는 동시에 같은 정보를 디스플레이하지만, 단지 한 개의 라이트펜(340b)만이 사용된다. 라이트펜(340b)은 펜의 단부에 있는 광센서를 가지고 CRT 디스플레이로부터 방사되는 빛을 검출하게 된다. 특정 스크린이나 기능을 선택하기 위해서는, 오퍼레이터는 디스플레이 스크린 상의 지정된 영역을 접촉하여 펜(340b) 위의 버튼을 누르게 된다. 접촉된 영역은 강조색으로 바뀌거나 혹은 새로운 메뉴 혹은 스크린이 디스플레이됨으로써, 라이트펜(340b) 및 디스플레이 스크린 사이의 교신이 확인된다.
상기 공정은 예를 들어 시스템 제어기(31) 상에서 운영되는 컴퓨터 프로그램 산출물(141)을 사용함으로써 수행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드는 예를 들어 68000어셈블리 언어, C, C++ 혹은 파스칼 등의 기존 컴퓨터 판독 프로그램 언어로 쓰여질 수 있다. 적당한 프로그램 코드는 기존의 텍스트 편집기를 사용함으로써 단일 파일 혹은 복수 파일로 입력되고, 컴퓨터의 메모리 시스템 같은 컴퓨터 사용매체에서 구체화되거나 저장된다. 만약 입력된 코드 텍스트가 고 레벨의 언어라면, 상기 코드는 편집되고, 최종 컴파일러 코드는 미리편집된 윈도우 라이브러리 루틴의 목적 코드에 연결된다. 연결 편집된 목적코드를 수행하기 위해, 시스템 사용자는 컴퓨터 시스템이 메모리내의 코드를 로딩하도록 하는 목적코드를 연상시킴으로써, CPU가 프로그램에서 확인된 업무를 수행하기 위해 코드를 읽고 수행한다.
도 1C는 컴퓨터 프로그램(70)의 계층 제어구조를 도시한 블록선도이다. 사용자는 라이트펜(340b) 인터페이스를 사용함으로써 CRT 모니터(340a) 상에 디스플레이된 메뉴 혹은 스크린에 대응하여, 공정세트수 및 처리챔버수를 공정 셀렉터 서브루틴(73)에 입력한다. 공정세트는 상술한 공정을 수행하기 위하여 필요한 공정매개변수의 소정세트이고, 이미 규정된 세트수에 의해 확인된다. 공정 셀렉터 서브루틴(73)은 다중챔버 시스템에서 요구되는 처리챔버 및 요구되는 공정을 수행하기 위해 처리챔버를 작동시키는 데 필요한 공정 매개변수의 요구되는 세트를 확인한다. 상술한 공정을 수행하기 위한 공정 매개변수들은 예를 들어, 처리가스 구성, 유량, 온도, 압력, RF편향 전력레벨 및 자기장 전력레벨 같은 플라즈마 조건, 냉각가스압력 및 챔버벽 온도 등의 여러 조건에 관련되고, 비책의 형태로 사용자에게 제공된다. 비책에 의해 규정된 매개변수는 라이트펜/CRT 모니터 인터페이스를 이용하여 입력된다.
공정을 모니터링하기 위한 신호들은 시스템 제어기(31)의 아날로그 입력보드 및 디지털 입력보드에 의해 제공되고, 공정을 제어하는 신호들은 시스템 제어기(31)의 아날로그 출력보드 및 디지털 출력보드 상에 출력된다.
공정 시퀀서 서브루틴(75)은 식별된 처리챔버, 및 공정 셀렉터 서브루틴(73)으로부터 공정 변수 세트 및 식별된 처리 챔버를 수용하고 다양한 공정 챔버의 작동을 제어하기 위한 프로그램 코드를 포함한다. 다수의 사용자들은 공정세트수들 및 처리챔버수들을 입력할 수 있고, 혹은 한 사용자가 다중 공정세트수들 및 처리챔버수들을 입력할 수 있다. 그래서, 시퀀서 서브루틴(75)이 작동하여 요구되는 순서대로 선택된 공정을 스켜쥴링하게 된다. 바람직하게는, 시퀀서 서브루틴(75)은 챔버가 사용되고 있는 지를 결정하기 위해 처리챔버의 동작을 모니터링하는 단계, 사용되고 있는 챔버 내에서 무슨 공정이 수행되고 있는 지를 결정하는 단계 및처리챔버의 효용성 및 수행되는 공정의 형태에 기반한 요구되는 공정을 수행하는 단계를 수행하는 프로그램 코드를 포함하고 있다. 처리 챔버를 모니터링하는 종래의 방법으로서 폴링 등이 이용될 수 있다. 어느 공정이 수행되어야 하는 지를 스케쥴링할 때, 시퀀서 서브루틴(75)은 사용되고 있는 처리 챔버의 현재 상태를 고려하여 선택된 공정에 대한 원하는 공정 조건, 즉, 특정 사용자가 입력한 리퀘스트의 경과시간(age), 또는 시스템 프로그래머가 스케쥴링 우선순위를 결정하기 위해 포함시키려고 하는 기타 임의의 관련 요인과 비교할 수 있도록 설계할 수 있다.
시퀀서 서브루틴(75)이 어느 처리챔버 및 공정세트 조합이 다음에 수행될 것인지를 결정한 후에는, 시퀀서 서브루틴(75)은 시퀀서 서브루틴(75)에 의해 결정된 공정세트에 따라 공정세트의 수행을 처리챔버(10) 내의 다중 처리 작업을 제어하는 챔버관리자 서브루틴(77a-c)에 특정 공정 세트 매개변수를 전달하므로써 공정셋트를 실행하게 한다. 예를 들어, 챔버관리자 서브루틴(77a)은 스퍼터링 및 처리챔버(10) 내의 CVD 공정작업을 제어하는 프로그램 코드를 포함하고 있다. 챔버관리자 서브루틴(77a)은 또한 선택된 공정세트를 수행하기 위해 필요한 챔버요소의 작동을 제어하는 다양한 챔버요소 서브루틴의 실행을 제어한다.
챔버 구성요소 서브루틴의 일례로서, 기판 위치선정 서브루틴(80), 처리가스 제어 서브루틴(83), 압력제어 서브루틴(85), 히터제어 서브루틴(87) 및 플라즈마제어 서브루틴(90)들이다. 당업자라면 처리챔버(10) 내에서 어떠한 공정을 수행할지에 따라 다른 챔버 제어 서브루틴을 포함시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 작동중에, 챔버관리자 서브루틴(77a)은 선택적으로 스케쥴링하거나 실행중인 특정공정세트에 따라 공정 구성요소 서브루틴을 선택적으로 예정하거나 요청하게 된다. 챔버관리자 서브루틴(77a)에 의한 스케쥴링은 시퀀서 서브루틴(75)이 처리 챔버(10)와 공정 세트를 실행할 때 수행되는 스케쥴링과 동일한 방식으로 실행된다. 일반적으로, 챔버관리자 서브루틴(77a)은 다양한 챔버 구성요소를 모니터링하는 단계, 실행하는 공정 세트를 위한 공정 매개변수에 기반하여 어떠한 구성 요소를 작동시켜야 할지를 판정하는 단계 및 상기 모니터링 단계와 판정 단계에 응답하여 챔버 구성요소 서브루틴을 실행시키는 단계를 포함한다.
특정 챔버요소 서브루틴의 작동은 도 1C에서 상술될 것이다. 서브루틴을 위치시키는 기판은 받침대(44) 위해 기판을 적재하여 받침대(44)를 처리위치로 이동시키기 위해 사용되는 챔버요소를 제어하는 프로그램 코드를 포함한다. 기판 위치선정 브루틴(80)은 다른 처리가 종료된 후에, PECVD 반응기로부터 챔버(10)로의 기판의 이동을 제어할 수 있다.
공정 가스 제어 서브루틴(83)은 공정 가스 성분 및 유량을 제어하기 위한 프로그램 코드를 가지고 있다. 서브루틴(83)은 안전차단밸브의 개폐위치를 제어하고, 또한 요구되는 유량비를 얻기 위해 질량 유량 제어기들을 위아래로 경사지게 한다. 처리가스제어 서브루틴(83)을 포함한 모든 챔버요소 서브루틴들은 챔버관리자 서브루틴(77a)에 의해 발현된다. 서브루틴(83)은 요구되는 가스흐름비에 관련된 챔버관리자 서브루틴(77a)로부터 공정 매개변수를 수용한다. 일반적으로, 처리가스제어 서브루틴(83)은 가스공급라인을 개방하고, 필요한 매체흐름 제어기들을 반복적으로 판독하며, 판독값을 챔버관리자 서브루틴(77a)로부터 수용된 요구되는흐름비에 비교하고, 가스공급라인의 흐름비를 필요한 값으로 조정함으로써, 작동한다. 더욱이, 처리가스제어 서브루틴(83)은 불안정한 가스 유량이 없는지를 모니터링하여, 불안정한 상태가 검출되었을 때, 안정 차단 밸브를 작동시키는 단계를 포함한다.
공정중에는, 반응성 공정 가스가 챔버에 도입되기 전에, 챔버 내의 압력을 안정화시키기 위해 아르곤 등의 불활성 가스를 유입시키는 것도 있다. 이러한 공정들에서는, 공정 가스제어 서브루틴(83)은 챔버 내의 압력을 안정화시키는데 필요한 시간만큼 불활성 가스를 챔버에 유입시키는 단계를 포함하도록 프로그래밍된다. 이로써 상기 단계의 실행이 가능해진다. 게다가, 테트라에틸오르토실란(TEOS)등의 액체 전구 물질로부터 공정 가스가 증발하게 될 경우에, 공정 가스 서브루틴(83)에는 발포 물질 안의 액체 전구 물질을 통과하는 헬륨 등의 분배 가스를 발포시키는 단계, 또는 헬륨을 액체 분사 밸브에 도입하는 단계를 포함한다. 이런 형태의 공정에서는, 공정 가스제어 서브루틴(83)은 원하는 공정 유량을 얻기 위하여, 분배 가스의 흐름, 발포장치 내의 압력 및 발포 장치의 온도를 조절한다. 상기에서 검토한 바와 같이, 원하는 가스 유량은 공정 매개변수로서 공정 가스제어 서브루틴(83)로 이동하게 된다. 더욱이, 공정가스제어 서브루틴(83)은 임의의 가스 유량에 대해 필요한 값이 기록된 기억 장치의 테이블에 접근하여, 원하는 공정 가스 유량에 대해 필요한 분배 가스 유량, 발포 장치의 압력 및 온도를 얻기 위한 단계를 구비한다. 일단 필요한 값이 얻어지면, 분배 가스 유량, 발포 장치의 압력 및 온도가 모니터링되어, 필요한 값과 비교되어 적당히 조절된다.
압력제어 서브루틴(85)은 챔버(10)의 배출포트 내의 트로틀밸브(12a)의 개구부 크기를 조정함으로써, 챔버(10) 내의 압력을 조절하는 프로그램 코드를 포함한다. 트로틀밸브(12a)의 개구부 크기는 챔버압력을 제어하도록 전체 공정가스 유량, 챔버의 크기 및 배기 장치의 펌핑 목표에 대한 원하는 레벨로 제어하도록 설정된다. 압력제어 서브루틴(85)이 호출되면, 원하는 즉, 목표로 하는 압력레벨은 챔버관리자 서브루틴(77a)으로부터 매개변수로서 수용된다. 압력제어 서브루틴(147)은 챔버에 접속된 하나 이상의 종래의 압력계에 의해 값을 판독함으로써 챔버(10) 내의 압력을 측정하고, 측정치를 목표 압력과 비교하며, 기억 장치 내의 목표압력에 대응 압력 테이블로부터 비례, 적분 및 미분(PID)값을 구해서, 압력 테이블로부터 얻어진 PID 값에 따라 스로틀 밸브(12a)를 조정하게 된다. 그 대신에, 압력제어 서브루틴(85)은 스로틀밸브(12a)가 특정 개구부 크기로 개방 및 폐쇄되도록 기록됨으로써, 챔버(10)를 조절하여 원하는 압력을 얻을 수 있다.
히터제어 서브루틴(87)은 챔버(10)의 온도를 제어하는 프로그램 코드를 포함하고 있다. 히터제어 서브루틴(87)은 또한 챔버관리자 서브루틴(77a)에 의해 야기되고, 목표 혹은 결정점, 온도 매개변수를 수용한다. 히터제어 서브루틴(87)은 받침대(44) 안에 위치하는 열전쌍의 전압출력치를 측정함으로써 온도를 측정하게 되고, 측정된 온도를 결정점온도와 비교하여, 저항 히터 요소(60)(필요에 따라서는 BRF발생기(30, 50))에 인가된 전류를 증가시키거나 감소시킴으로써 설정 온도를 얻는다. 온도는 기억된 환산 테이블에 대응하는 온도를 색인하거나, 4차 다항식을 사용하여 온도를 계산함으로써, 측정된 전압으로부터 얻어진다.
플라즈마제어 서브루틴(90)은 챔버(10) 내의 RF 발생기(32, 36, 50)에 인가된 RF 전압전력 레벨을 설정하기 위해, 또는 옵션으로 챔버(10) 내에서 발생된 자기장의 레벨을 설정하는 프로그램 코드를 포함한다. 이전에 기술된 챔버요소 서브루틴 같은 플라즈마제어 서브루틴(90)은 챔버관리자 서브루틴(77a)에 의해 호출된다.
세 개의 용량 결합형 구성의 각각의 장점과 유도 결합형 구성에 대해 특히 상세히 기술된 HDP CVD 장치의 사례는 1994년4월 26일에 페어바인 및 노왁에 의해 출원된 "유도 결합과 용량 결합의 조합에 따른 고밀도 플라즈마 CVD 반응기" 이라는 명칭을 갖는 미국특허출원 제 08/234,746에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참고로 기술되어 있다.
B. 전형적인 평행판, 용량 결합된 CVD 반응기 챔버
도 2는 본 발명의 유전층이 증착될 수 있는 CVD 시스템의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 2는 진공챔버(115)를 한정하는 하우징을 갖는 개략적인 평행판 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD)시스템(110)을 도시한 것이다. 시스템(110)은 진공챔버(115) 내의 서셉터(112) 상에 위치하는 웨이퍼에 증착가스를 분산시키는 가스 분기관(111)을 포함하고 있다. 서셉터(112)는 높은 열반응성을 가지고 지지대(113) 상에 장착됨으로써, 서셉터(112)(그리고 서셉터(112)의 상부면에 지지된 웨이퍼)는 하부의 로딩/오프로딩 위치와 분기관에 인접하게 근접한 상부의 처리 위치(114) 사이를 제어받으면서 이동시킬 수 있다.
서셉터(112) 및 웨이퍼가 처리위치(114)에 있을 때에는, 그것들은 고리형 진공 분기관(124)에 배기시키기 위한 캡을 형성한 다수의 구멍부(123)를 갖는 차폐판(117)에 의해 둘러싸여 있다. 증착가스, 전달가스 및 액체는 제어밸브(미도시)를 갖는 라인(118)을 통해 가스교반챔버(119)로 공급되고, 가스교반챔버(119)에서는, 가스 및 액체가 혼합되어 분기관으로 보내지게 된다. 처리과정동안에는, 분기관으로의 가스 입력이, 화살표(122)에 지시된 바와 같이, 웨이퍼의 표면을 가로질러 반경방향으로 균일하게 분배되어 배출된다. 가스는 포트(123)를 통해 고리형 진공 분기관(124)으로 배출되고, 진공펌프 시스템에 의해 배출라인(131) 밖으로 배출된다. 가스가 배출라인(131)을 통해 배출되는 비율은 스로틀 밸브(132)에 의해 제어된다.
제어된 플라즈마는 RF 전원(125)으로부터 분기관(111)에 인가되는 RF 에너지에 의해 웨이퍼에 인접한 지점에서 형성된다. 가스 배출 분기관(111)은 또한 서셉터(112)가 접지되는 RF 전극봉이다. RF 전력공급장치(125)는 단일 주파수 RF 전력 혹은 혼합된 주파수 RF 전력(혹은 다른 요구되는 변형값)을 분기관(111)으로 공급하여, 챔버(115)로 도입된 반응성 핵종의 분해를 강화시키게 된다.
외부 원형 램프 모듈(126)은 평행한 고리 패턴의 빛(127)을 석영 윈도우(128)를 통해 서셉터(112)에 제공한다. 이러한 열 분포에 따라, 서셉터(112)로부터의 열의 손실 패턴을 보상받게 되고, 서셉터와 웨이퍼를 급속하고 균일하게 가열함으로써 효과적으로 증착된다.
모터(미도시)는 처리위치와 하부의 웨이퍼 로딩위치 사이에서 서셉터(112)를 위아래로 이동시키게 된다. 모터와 라인(118)에 접속되어 있는 제어밸브, 스로틀밸브 및 RF 전력 공급장치(125)는 단지 몇 개만이 도시된 제어 라인 상에서 시스템 제어기(134)에 의해 제어된다. 시스템 제어기(134)는 메모리(138) 같은 컴퓨터 판독매체 안에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램의 제어하에서 작동하는 처리기(SBC)를 포함하고 있다. 컴퓨터 프로그램은 타이밍, 가스혼합, 챔버압력, 챔버온도, RF 전력레벨, 서셉터 위치 및 시스템 제어기(31)에 대한 설명과 동일한 방식으로 특정 가공 처리의 다른 매개변수를 지시한다.
일반적으로, 임의의 챔버 라이닝 또는 모든 챔버 라이닝, 가스 입력 분기관 면판, 지지 핑거(113) 및 다양한 형태의 다른 반응기 하드웨어들은 알루미늄이나 양극 처리된 알류미늄 등의 물질로 제조된다. PECVD 장치의 보기는 "CVD/PECVD 열반응기 및 산화규소의 열화학 기상 증착의 사용 및 원위치의 다단계 평탄화 공정" 이라는 명칭을 갖는 미국특허 제 5,000,113호에 개시되어 있다.
전술한 CVD 시스템은 실례를 드는 것이 주 목적이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 플래튼, 서셉터 설계, 히터 설계, RF 전력 연결등의 변화와 같은 상기 시스템의 변화는 가능하다. 더욱이, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 CVD 장치등과 같은 다른 플라즈마 CVD 장치가 채용될 수 있다. 본 발명에 따른 산화규소 층의 응력을 제어하는 방법은 어느 특정장치나 특정 플라즈마 자극 방법에 한정되지는 않는다.
Ⅱ. 산화규소 증착 및 응력 제어
본 발명의 공정에 따라, 상기의 플라즈마 CVD 시스템 혹은 다른 시스템에서 증착된 산화규소물 막의 고유 응력 레벨은 소정량의 할로겐을 산화물 층에 혼합함으로써 정확하게 제어할 수 있다. 적합한 할로겐 요소로는 불소, 브롬, 염소 등이 있다. 불소는 일반적으로 다른 할로겐족 원소보다 부식성이 낮기 때문에, 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용한 할로겐 도펀트이다.
A. 고밀도 플라즈마 시스템에서의 증착
불순물을 첨가하지 않은 산화규소 층은 상기한 HDP CVD 시스템에 의해 실란(SiH4) 등의 규소 함유 가스를, O2등의 산소함유 가스와 함께 반응시킴으로써 증착될 수 있다. 아르곤 혹은 이와 유사한 가스는 스퍼터링 요소로서 혼합될 수 있다. 이러한 소오스 가스로부터 증착되는 산화 규소 막은 공정 조건이나 그 밖의 요소에 의존하며 일반적으로 유전율은 약 3.8 내지 4.1 이며, 고유 압축 응력 레벨은 대략 -1.8×109dynes/cm2의 높은 레벨에서 약 -1.2×109dynes/cm2의 낮은 레벨로 변한다. 그러나, 이러한 응력레벨은 너무 높아서 대다수의 경우 실용화하기에는 부적절하다. 많은 제조업체들은 대략 -0.5×109dynes/cm2에서 -1.0×109dynes/cm2혹은 그 이하의 범위 내에 있는 낮은 고유 응력 레벨을 갖는 증착 막을 선호한다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 고밀도 플라즈마(예를 들어, 1011ions/cm3이상의 플라즈마 밀도)를 갖는 HDP CVD 혹은 다른 조건하에서의 증착된 산화규소막의 고유 응력은 이와 같은 바람직한 범위 내에서 조절할 수 있다. 실제로, 본 발명의 방법에 따르면, -1.5×109dynes/cm2이상의 범위 내에 있는 산화 규소막의 고유 응력 레벨은 인장 응력하의 막 정도까지 제어할 수 있다. 상기 응력제어는 할로겐요소, 바람직하게는 불소를 첨가함으로써 반응이 달성된다. 불소는 여러 가지 불소 소오스, 그 중에서도 SiF4, CF4또는 C2F6등으로부터 도입할 수 있다.
단지 비교적 소량의 불소를 챔버에 도입하는 것 만으로 산화 규소막의 응력을 정화하게 제어할 수 있다. 소량의 불소 도입 만으로 다른 응력제어 기술(예를 들어, RF전력조정)과는 상관없이 응력제어를 할 수 있다. 또한, 단지 소량의 불소를 반응하는 것 만으로, 막의 균일성과 안정성 등의 다른 막 특성에 악영향을 끼치지 않는다.
본 발명의 방법의 실효성을 증명하기 위해, 어플라이드 머티리얼사에 의해 제조된 HDP CVD 챔버에 의해 저저항률 규소 웨이퍼 상에 1.0 ㎛ 두께의 불소가 첨가된 산화규소막을 증착하는 실험을 행하였다. 산화 규소막은 실란, 산소 및 아르곤을 포함하는 증착가스로부터 증착된다. 불소의 소오스로서 CF4를 증착가스에 첨가했다.
실험에서, 실란, 산소 및 아르곤의 챔버로 도입되는 유량을 일정하게 했다. CF4가 반응챔버로 도입되는 유량은 막에 혼합되는 불소의 농도를 변화시키기 위해 변동시켰다. 상세히 설명하면, 챔버에 도입되는 유량은 실란이 60 sccm이고, 산소는 96 sccm이며, 아르곤은 20 sccm의 비율로 도입된다. 반응 챔버(10)내의 온도는 약 400℃로 세팅되어 유지되고, 챔버 내의 압력은 약 3 밀리토르로 유지된다. 플라즈마는, 소오스 RF 전력(2.0 Hz)를 3500 와트로 세팅하고 편향 RF 전력(1.8 Hz)를 2500 와트로 설정하였다. 이러한 가스 유량, 온도, 압력 및 RF 전력 레벨은HDP CVD 챔버에서 불순물이 첨가되지 않은 산화규소막을 증착하는데 사용되는 어느 특정 공정의 표준화된 최적값이다. 실험에서 도입되는 CF4의 유량은 0 sccm 내지 40 sccm에서 변화시켰다. 이 실험의 결과는 표 1에 요약되어 있고, 또한 막 응력 과 CF4도펀트 유량의 관계를 플롯해서 그래프로 도 3에 도시되어 있다.
불소농도 함수로서의 응력
CF4유량(sccm) CF4대 SiH4비 응력(dynes/cm2)
0 0 -1.45
15 0.25 -0.9
30 0.5 -0.25
40 0.67 +0.5
표 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 증착막의 응력은 CF4유량을 조정함으로써 제어될 수 있다. 실험에서는, 증착막의 고유응력은 반응에 도입되는 CF4의 유량에 의존하여 약 -1.45×109dynes/cm2의 높은 레벨에서 0.5×109dynes/cm2까지 변한다. 모든 응력 측정은 텐코 계기사(Tencor Instruments)에 의해 제조되는 플렉서스 2320 응력 온도 게이지를 이용하여 수행된다.
증착된 미도핑 산화규소막(CF4유량은 0 sccm으로 했음)은 상기 조건하에서 -1.45×109dynes/cm2의 압축응력레벨을 나타내었다. 그러나, 비교적 소량의 CF4를 반응에 도입함으로써 막의 응력을 -0.9×109dynes/cm2로 감소시키게 된다. 챔버(10)로 도입되는 CF4의 유량을 증가시키면, 막 응력을 더욱 감소시키게 된다.CF4가 30 sccm의 비율로 도입될 때에는, 막 응력은 -0.25×109dynes/cm2로 떨어지게 된다. CF4의 유량이 40 sccm으로 증가할 때에는, 막은 +0.5×109dynes/cm2의 인장 응력 레벨에 달했다.
상기 실험에서 확인된 바와 같이, 불소를 증착챔버(10)로 도입함으로써 막의 다른 특성에 악영향을 끼치지 않고, 증착된 막의 응력을 제어하는 메커니즘을 구축한다. 상세히 설명하면, 비교적 소량의 불소(약 10 내지 25 sccm)를 도입함으로써 HDP CVD 조건 하에서 증착된 산화규소층의 응력이 -1.0 내지 -0.5×109dynes/cm2의 원하는 범위로 제어될 수 있도록 한다. 이와 같이 비교적 낮은 도입 유량비에서는 CF4가 0 내지 25 sccm에서 증가해도 각 막의 공극 충전 특성 및 균일성 특성은 본질적으로 변하지 않게 된다. 추가로, 막의 유전율에도 유의적인 변화는 나타나지 않았다.
물론, 본 발명의 방법은 상기 실험에서 설명된 특정 매개변수에 의한 아무런 제약도 받지 않는다. 당업자라면 본 발명의 영역에서 벗어나지 않는 한 여러 가지 처리 조건 및 반응 물질 소오스를 사용할 수 있음을 인지할 수 있을 것이다. 예를 들어, 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)등을 사용할 수도 있고 산소 소오스로서 오존, N2O 등을 사용할 수도 있을 것이다. 더욱이, 불소 소오스로서 C2F6, 트리에톡시플르오로실란(TEFS), SiF4등을 이용하여 증착된 막의 고유 응력 레벨을 낮출 수도 있다. 또한, 각 가스들이 챔버(10)로 도입되는 유량은 사용되는 가스들, 챔버 설계 및 챔버부피에 어느 정도 의존하게 된다. 가스 도입 유량은 다른 챔버 및/또는 다른 가스들에 의해 차이가 생겨날 것이다.
B. 용량 결합형, 평행판 CVD 반응기에서의 증착
본 발명에 앞서, 상기한 바와 같은 용량 결합형 PECVD 시스템에서 증착된 FSG 막의 응력은 통상 저주파 RF 전력을 조정함으로써 제어되었다. 예를 들어, 증착된 TEFS-FSG 막의 고유 응력과 저주파 RF 전력의 관계를 도시하는 도 4에 도시된 바와 같이, RF 전력을 증가시키면 막 응력도 증가된다.
도 4에서는, TEFS-FSG 막은 어플라이드 머티리얼사에 의해 제조된 P5000 PECVD 챔버에서 저저항 규소 웨이퍼상에 증착되었다. 막은 5토르의 압력과 400℃의 온도에서 증착되었다. 13.56 MHz의 고주파 RF 전원에 155와트의 전력을 공급하고, 350 KHz의 저주파 RF 전원에 230와트에서 전력을 공급했다. 서셉터는 가스 분배 분기관으로부터 250 밀(mil)의 위치에 위치한다. TEOS는 260 mgm의 유량비로 도입되고, 산소는 1250 sccm의 유량비로 챔버로 도입되었다. TEFS의 도입 유량은 230 mgm 이었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 공정 조건하에서의 저주파 RF 전력을 변화시킴으로써 증착된 FSG 막의 고유 응력 레벨을 약 0.7×109dynes/cm2내지 약 -1.6×109dynes/cm2로 조정할 수 있다. FSG 막의 고유 응력 레벨을 약 -0.5×109dynes/cm2내지 -1.0×109dynes/cm2의 범위로 조정할 필요가 있는 용도가 많기 때문에, 상기 조건하에서 증착되는 TEFS-FSG 막에 대한 저주파 RF 전력이 약 150-350 와트 사이로 설정되는 것이 바람직하다. 그러나, 저주파 RF 전력이 이 범위를 넘어서 증가할 때에는, 막 균일성 및 습식 에칭비율이 저하되는 것을 실험에 의해 알게되었다.
본 발명의 방법에 따르면, PECVD 막의 고유 응력 레벨을 제어 혹은 조정하는 부가적인 메커니즘이 주어지며, 막의 응력 레벨을 제어하기 위해 저주파 RF 전력을 변경할 필요가 없게 된다. 특히, 본 발명의 방법에 따라, 반응 챔버에 도입되는 불소 함유 소오스의 유량을 변화시켜서 증착된 FSG 막의 고유 응력 레벨이 제어된다. 200 mm 웨이퍼용으로 어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조된 P5000 반응기에서 증착된 산화 규소막의 고유 응력 레벨에 미치는 불소 도펀트의 흐름 효과를 도7의 그래프로 알 수 있다. TEFS-FSG 막 및 C2F6-FSG 막의 응력이 TEFS 혹은 C2F6이 반응 챔버로 도입되는 유량을 바꿈으로써, 약 -3.4×109dynes/cm2에서 대략 -0.5×109dynes/cm2범위로 제어될 수 있음을 경험에 의해 알게되었다.
도 5의 C2F6-FSG 막은 5토르의 압력 및 400℃의 온도에서 저저항 규소 웨이퍼 상에 증착된다. 플라즈마는 13.56 MHz의 고주파 RF 전원에 200 와트의 전력을 공급하고 350 KHz의 저주파 RF 전원에는 430 와트의 전력을 공급함으로써, C2F6소오스가스, TEOS, 산소로부터 형성된다. 서셉터는 가스 분배 분기관으로부터 250 밀의 위치에 위치한다. TEOS는 260 mgm의 유량비로 도입되고, 산소는 1000 sccm의 유량비로 도입된다. C2F6가 챔버로 도입되는 유량은 0-380 sccm 범위에서 바뀐다.
도 5에서 증명된 바와 같이, 상기 조건하에서 증착된 C2F6-FSG 막의 고유응력은, C2F6가 챔버로 도입되는 유량을 조정함으로써, 약 -3.2×109dynes/cm2의 높은 레벨에서 약 -0.3×109dynes/cm2의 낮은 레벨까지 조정할 수 있다. C2F6가 반응하지 않은 상태일 때에는, 증착된 막의 고유 응력은 약 -3.2×109dynes/cm2이었다. 95 sccm 의 유량비로 C2F6를 도입함으로써 막의 고유 응력을 -1.7×109dynes/cm2으로 감소시켰다. 증착된 막의 응력레벨은 C2F6유량비가 약 200-350 sccm일 때, -1.0×109dynes/cm2내지 -0.5×109dynes/cm2의 바람직한 범위 내에 있었다.
도 5의 TEFS-FSG 막은 또한 5토르의 압력 및 400℃의 온도에서 저저항 규소 웨이퍼 상에 증착되었다. 공정은 13.56 MHz의 고주파 RF 전원에 155와트를 통전시키고, 350 KHz의 저주파 RF 전원에 230와트를 통전시켰다. 서셉터는 가스분배 분기관으로부터 250 밀의 위치에 위치한다. TEOS는 260 mgm의 유량비에서 도입되고, 산소는 1250 sccm의 유량비로 챔버로 도입되었다. TEFS가 챔버로 도입되는 유량비는 0-400 mgm 범위에서 바뀐다.
상기 조건하에서 증착된 TEFS-FSG 막의 고유 응력은, TEFS가 반응챔버로 도입되는 적절한 유량을 설정함으로써, 약 -3.4×109dynes/cm2의 높은 레벨에서 약 -0.6×109dynes/cm2의 낮은 레벨의 범위로 제어될 수 있다. TEFS가 반응하지 않는 상태일 때, 증착된 막의 응력 레벨은 약 -3.4×109dynes/cm2이었다. 50 mgm의 유량비로 TEFS를 도입했을 경우 막의 고유 응력은 -1.3×109dynes/cm2으로 감소되었다. 증착된 막의 응력 레벨은 TEFS 유량비가 약 150-380 mgm일 때, -1.0×109dynes/cm2에서 -0.5×109dynes/cm2의 범위 내에 있었다.
그래서, 도 5에 도시된 바와 같이, 산화규소 막의 고유 응력은, 불소함유 소오스의 적절한 도입 유량을 세팅함으로써, 특정한 레벨까지 제어될 수 있다. 증착된 막의 실제 응력은 반응챔버의 막 안에 도입되는 불소의 양에 직접적으로 관련되어 있다.
불소 소오스가 특정공정을 위해 도입되는 적절한 유량비는 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 불소의 도입 유량비를 변화시킨 특정 공정을 사용하는 시험들이 종전에 수행되어 왔고, 이들 시험들의 결과는 도표 혹은 유사한 데이터베이스로 편집되었다. 이들 시험(예를 들어, 데이터베이스)의 결과들은 특정한 비법에 대해 x의 응력레벨을 갖는 막을 증착하기 위해 적절한 불소 도입 유량을 결정하는데 고려될 수 있다. 이러한 데이터베이스는 컴퓨터를 판독할 수 있는 매체 내에 기억되어 처프로세서에 의해 접근될 수 있다. 메모리는 저장된 데이터베이스 상에서 부분적으로, 특정 기본공정에 대해 x의 응력레벨을 갖는 막을 증착하기 위해 적절한 불소 도입 유량비를 계산하는 프로그램을 포함할 수도 있다.
대체예로서, 특정 공정을 사용하여 선택된 도입비로 불소를 도입하여 막을 증착하기 위해 1장 이상의 웨이퍼를 처리해도 무방하다. 막이 증착된 후에는, 막의 고유 응력을 측정할 수 있다. 만약 측정된 응력레벨이 너무 높으면, 후속되는 공정에서는, 불소 도입 유량비를 증가시켜서 막을 증착시킨다. 만약 측정된 응력레벨이 너무 낮으면, 후속되는 공정에서는 불소의 양을 줄여서 막을 증착시킨다. 원하는 응력 레벨이 얻어질 때까지 이러한 공정을 반복하면 된다.
응력 제어 메커니즘으로서, 응력 챔버에 도입되는 불소 소오스의 유량을 활용할 때, 불소 소오스의 도입을 정확하게 제어할 수 있어야만 한다. 또한, 불소 소오스가 도입되는 유량은 전증착과정을 통해 일정하게 유지되는 것도 중요하다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 불소 함유 소오스가 예를 들어 TEFS처럼 실온에서는 액체인 경우에는, 종래의 발포 장치에 비해 오히려 어플라이드 머티리얼사에 의해 개발된 정밀 액체 분사 장치(PLIS)등의 액체 분사 장치를 사용하는 것이 더 바람직하다. 액체 분사 장치를 사용하면, 종래의 발포장치형 보다 액체 불소 소오스의 도입 유량을 더 정확하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 액체 불소 소오스를 도입하기 위해 액체 분사 밸브 장치를 사용하면, 불소 소오스를 도입하는 정확한 유량을 증착중에 실질적으로 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 PLIS 시스템의 예로서 보기는 비스베스바렌 시바라마크리쉬난(Visweswaren Sivaramakrishnan) 및 존 화이트(John White)에 의해 발명된 "화학 기상 증착 공정에서의 반응성 액체의 기화"라는 명칭을 갖는 미국특허 출원 제 07/990,755호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참고로 기술되어져 있다.
물론, 본 발명의 방법은 상기 실험에서 설명된 특정 매개변수에 의한 어떤 방식으로 제한되지는 않고, 상술된 특정 액체주입 시스템에 한정되지는 않는다. 당업자는 다른 처리 조건 및 다른 시약 소스가 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 실란 등과 같은 규소 소오스가 사용될 수 있고, 오존, N2O 등과 같은 산소 소오스가 사용될 수 있다. 더욱이, CF4, SiF4등과 같은 다른 불소 소오스를 사용할 수도 있다. 당업자인 경우, 상술한 PLIS 시스템 이외의 액체 분사 장치를 사용하여 불소 함유 소오스가 액체상태에 있을 때, 반응챔버 내로 도입되는 불소의 양를 정확하게 제어할 수도 있다.
Ⅲ. 전형적인 구조
도 6은 본 발명에 따른 집적회로(200)의 개략적 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 집적회로(200)는 필드 산화물 영역(220)에 의해 서로 분리되어 전기적으로 절연된 NMOS 트랜지스터(203)및 PMOS 트랜지스터(206)를 포함하고 있다. 각 트랜지스터(203 및 206)는 소오스 영역(212), 드레인 영역(215) 및 게이트 영역(218)을 포함하고 있다.
프리메탈 유전체 층(221)는 금속층(M1)으로부터 트랜지스터(203,206)를 분리시켜 금속층(M1)과 트랜지스터 사이는 접점(224)에 의해 접속되어 있다. 금속층(M1)은 4층 금속층(M1-M4) 중의 하나로서, 집적회로(200)에 포함된다. 각 금속층(M1-M4)은 각각의 금속 간 유전체 층(IMD1, IMD2 및 IMD3)들에 의해 인접한 금속층들로부터 분리된다. 인접한 금속층들은 지정된 개구부에 의해 바이어(226)를통해 접속된다. 금속층(M4)위에 증착되는 것은 평탄화된 불활성화(passivation) 층(230)이다.
본 발명의 방법을 이용하여 집적회로(200)에 도시된 각 유전체 층 내에 있어서의 응력을 제어할 수 있으나, 낮은 유전율 및 우수한 공극 충전 특성 등의 막의 물리적 특성에 의해, 본 방법은 IMD층(IMD1-IMD3)에 의해 나타낸 인접한 금속층 간의 절연층의 응력을 제어하는데 아주 유용하다. 통상, 이러한 IMD 층의 두께는 0.2-0.3 ㎛ 범위에 있다.
본 발명의 방법을 이용하여 어떤 집적회로 내에 포함되어 있는 물결무늬(damascene)층의 응력을 제어하는데 사용될 수 있다. 물결무늬층에서는, 블랭킷 FSG 층이 기판상에 증착되고, 선택적으로 관통 에칭된 다음, 금속충전, 재에칭, 또는 폴링되어, M1 같은 금속층이 형성된다. 금속층이 증착된 후에는, 제 2 블랭킷 FSG 증착이 수행되어 선택적으로 에칭된다. 에칭된 영역은 금속으로 채워져서 다시 에칭되거나 혹은 폴링되어 바이어(226)가 형성된다.
개략화된 집적회로(200)는 도시를 목적으로 한것에 불과하다. 당업자라면 본 발명을 실시함으로써 마이크로 프로세서, 적용특수 집적회로(ASICS), 메모리장치 등과 같은 다른 집적회로를 제조할 수 있을 것이다. 게다가, 본 발명의 방법은 BiCMOS, NMOS, 바이폴라 등과 같은 기술을 이용한 집적회로를 제조하는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명의 몇 개의 실시 형태를 충분히 설명함으로써, 본 발명에 따라, 응력을 제어하는 많은 방법이나 이것들을 대신할 방법이 가능함은 명백해질 것이다. 이러한 등가적인 방법 및 이를 대체할 수 있는 방법들을 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 한다.

Claims (10)

  1. 처리챔버 내에서 기판 상에 요구되는 인장 고유 응력을 갖는 층을 증착하기 위한 방법으로서,
    (a) 규소 및 산소를 함유한 공정 가스를 상기 챔버에 도입시키는 단계와,
    (b) 상기 공정 가스에 할로겐 소오스를, 상기 공정 가스와 상기 할로겐 소오스의 플라즈마 반응으로부터 상기 층 내에 요구되는 고유 응력을 달성하기 위해, 미리 지정된 유량비로 부가시키는 단계와, 그리고
    (c) 상기 공정 가스 및 상기 할로겐 소오스로부터 플라즈마를 형성하여 상기 기판 상에 상기 요구되는 인장 고유 응력을 갖는 상기 층을 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 층 내의 상기 요구되는 응력은, 상기 할로겐 소오스의 유동없이 공정 가스만의 또 다른 플라즈마 반응으로부터 형성된 또 다른 층 내에서의 압축 응력이 아닌, 인장 응력인 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    (d) 다수의 기판 상에 할로겐이 첨가된 실리콘 산화물 막을 증착하기 위해 상기 (a)단계 내지 상기 (c)단계를 반복적으로 수행하는 단계와,
    (e) 상기 다수의 기판의 각각의 기판상에 상기 증착된 할로겐이 첨가된 실리콘 산화물 막의 상기 고유 응력을 측정하는 단계와, 그리고
    (f) 상기 증착된 할로겐이 첨가된 막의 상기 인장 고유 응력이 너무 낮으면, 후속 증착되는 할로겐이 첨가된 실리콘 산화물 막의 상기 인장 고유 응력을 증가시키기 위해 후속 처리되는 기판 위에 할로겐이 첨가된 실리콘 산화물 막의 증착시 상기 할로겐 소오스가 도입되는 선택비를 증가시키고,
    상기 증착된 할로겐이 첨가된 막의 상기 인장 고유 응력이 너무 높으면, 후속 증착되는 할로겐이 첨가된 막의 상기 인장 고유 응력을 감소시키기 위해 후속 처리되는 기판 위에 할로겐이 첨가된 실리콘 산화물 막의 증착시 상기 할로겐 소오스가 도입되는 선택비를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 처리챔버 내에서 기판 상에 요구되는 인장 고유 응력을 갖는 층을 증착하기 위한 방법으로서,
    (a) 상기 처리 챔버 내에 할로겐 소오스를 상기 요구되는 고유 응력 레벨에 따른 선택비로 분포시키는 단계와,
    (b) 상기 챔버에 실리콘, 산소, 및 상기 할로겐 소오스를 함유한 공정 가스를 도입시키는 단계와, 그리고
    (c) 상기 기판 위로 상기 요구되는 고유 응력을 갖는 상기 층을 증착시키기 위해 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 선택비는 이전에 증착된 막의 측정된 고유 응력 레벨의 데이터 베이스로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 코일 안테나에 의해 적어도 일부분이 둘러싸인 공정 챔버 내에 위치된 반도체 기판 위로 요구되는 고유 응력 레벨을 갖는 절연층을 증착하기 위한 방법으로서,
    (a) 가스 분포 매니폴드로부터 실리콘 및 산소를 함유한 공정 가스를 상기 챔버 내부에 도입시키는 단계와,
    (b) 상기 공정 가스에 불소-함유 소오스를, 상기 공정 가스와 상기 불소-함유 소오스의 플라즈마 반응으로부터 상기 층 내에 요구되는 고유 응력을 달성하기 위해, 미리 지정된 유량비로 부가시키는 단계와, 그리고
    (c) 상기 공정 가스 및 상기 불소 함유 소오스로부터 적어도 1011ions/cm3의 이온 밀도를 갖는 유도 결합된 플라즈마를 형성하기 위해 상기 코일 안테나에 RF 전력을 인가하여, 상기 기판 상에 상기 요구되는 응력 레벨의 규소화불소 유리(FSG)를 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 불소소스는 상기 챔버 내로 전체 가스 유량의 20% 또는 그 이하의 비율로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 불소 소오스는 CF4이고 상기 챔버내로 전체 가스 유량의 10% 또는 그 이하의 비율로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 기판 처리 시스템으로서,
    (a) 진공 챔버를 형성하는 하우징,
    (b) 상기 하우징 내에 위치하여 기판을 고정하는 기판 홀더,
    (c) 상기 진공 챔버에 공정 가스를 도입하도록 구성된 가스 이송 시스템,
    (d) 상기 공정 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 구성된 플라즈마 생성 시스템,
    (e) 상기 가스 이송 시스템 및 상기 플라즈마 생성 시스템을 제어하는 제어기, 및
    (f) 상기 기판 처리 시스템의 작동을 안내하기 위해 컴퓨터 판독 프로그램을 구비한 컴퓨터 판독 매체를 갖는 상기 제어기에 연결되는 메모리를 포함하며,
    상기 컴퓨터 판독 프로그램은,
    (g) 규소, 산소, 할로겐 소오스를 갖춘 공정 가스를 상기 가스 교반 영역으로 도입하기 위해 상기 가스 이송 시스템을 제어하기 위한 제 1 명령 세트, 및
    (h) 상기 기판 상에 층을 증착하기 위해 상기 제 1 명령 세트에 의해 상기 가스로부터 플라즈마를 형성하도록 상기 플라즈마 생성 시스템을 제어하기 위한 제 2 명령 세트를 포함하며,
    상기 제 1 명령 세트는 상기 증착된 층이 요구되는 고유 응력을 갖도록 선택비로 상기 할로겐 소오스가 상기 가스 교반 영역으로 도입되도록 상기 가스 공급 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 시스템은 RF 전원에 결합되고 상기 진공 챔버를 적어도 부분적으로 둘러싸고 있는 유도 코일을 가지며, 상기 플라즈마 생성 시스템에 의해 형성된 상기 플라즈마는 적어도 1011ions/cm3의 이온 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제 1 명령 세트는 상기 증착된 층이 -1.0 x 10-9dynes/cm2내지 -0.5 x 10-9dynes/cm2사이의 압축 응력 레벨을 갖도록 상기 할로겐 소오스로서 상기 불소 소오스를 선택비로 상기 가스 교반 영역으로 도입하기 위해 상기 가스 이송 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 명령 세트는 상기 챔버로 전체 가스 유량의 20% 이하의 비율로 상기 불소 소오스를 상기 챔버로 도입하기 위해 상기 가스 이송 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 시스템.
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